JP4547427B2 - Gas cell using two parabolic concave mirrors and gas sensor manufacturing method using the gas cell - Google Patents

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Description

本発明は、NDIR(非分散型赤外)方式を利用した気体の濃度測定装置において最も重要な部分である気体セルの製造方法に関する。より詳細には、本発明は、多様な用途に適し、光路分析を容易にする簡単な幾何学構造を有する、光空洞を備えた気体セルを製造する方法に関するとともに、そのような気体セルを用いて気体センサーを製造する方法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a gas cell, which is the most important part in a gas concentration measuring apparatus using an NDIR (non-dispersive infrared) system. More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a gas cell with an optical cavity that is suitable for a variety of applications and has a simple geometry that facilitates optical path analysis and uses such a gas cell. The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor.

大気環境に対する関心が高まり、大気中の有害ガスはもちろん、作業環境の中で発生する有害ガスの正確な検出により、不意の事故を事前に防止する事に多くの人々の関心が集まっている。そのような理由で、大規模な気体センサーだけでなく、携帯用または、狭い室内に置いて使用する気体センサーの必要性が高まっており、気体センサーの小型化、軽量化が必要となった。従って、気体を検出する核心部分である気体セルの小型化と軽量化が非常に重要となり、制限されたサイズのなかで最も効率のよい気体セルを製造することが必要となった。NDIR方式の気体セルは、気体を通過する光に対する当該気体の光吸収性を測定するものであるため、光の経路を長くしようとする試みがこれまでなされており、多くの成果もあがっている。   There is a growing interest in the atmospheric environment, and many people are interested in preventing unforeseen accidents by accurately detecting harmful gases generated in the working environment as well as harmful gases in the atmosphere. For this reason, there is an increasing need for not only large-scale gas sensors but also portable or portable gas sensors that can be used in a small room, and it is necessary to reduce the size and weight of gas sensors. Therefore, it is very important to reduce the size and weight of the gas cell, which is a core part for detecting gas, and it is necessary to manufacture the most efficient gas cell among the limited sizes. Since NDIR gas cells measure the light absorption of gas through light, attempts have been made to lengthen the light path and many results have been achieved. .

制限された空間領域でより長い光経路を得るためには、鏡を利用して気体セルの光空洞内で光が多数回反射するようにする方法が最も有用な方法とも言えよう。また、それに関し、多様な幾何学的な構造を持つ光空洞が提案されているが、光経路を長くする事は相当難しいものである。それは、光源や光検出器が実際には光空洞内で無視できないほど大きな影響力を持っていて、光空洞の製造において大きな制約事項になるからである。よって、このような制約を克服するため、幾何学的に多様な方式で鏡を配置することによって、そのような制約事項を克服しようとする試みもなされているが、むしろ幾何学的構造が複雑になり、それを分析するのが煩雑である。つまり、複雑な幾何学的構造を持つ光空洞はその変形が容易でないため、光空洞を変形するためには各種の模擬実験(simulation)により得られた結果を利用して最適な光経路を探し出さなければならない。また、光空洞の製造上の欠点に起因して光空洞を分析するための因子(factor)に少しでもバラツキが生じれば、所望の光空洞を得ることは不可能となる。よって、光空洞の製造は非常に厳密に行わなければならない。したがって、光空洞の製造に多大な費用と時間が所用される問題点がある。   In order to obtain a longer light path in a confined spatial region, it can be said that a method in which light is reflected many times in the light cavity of the gas cell using a mirror is the most useful method. In addition, optical cavities having various geometric structures have been proposed, but it is quite difficult to lengthen the optical path. This is because light sources and photodetectors actually have such a great influence that they cannot be ignored in the optical cavity, which is a major limitation in the production of optical cavities. Therefore, in order to overcome such restrictions, attempts have been made to overcome such restrictions by arranging mirrors in various geometrical ways, but the geometric structure is rather complicated. It is cumbersome to analyze it. In other words, since an optical cavity with a complicated geometric structure cannot be easily deformed, an optimal optical path is searched for using the results obtained by various simulations in order to deform the optical cavity. I have to put it out. Further, if even a slight variation occurs in the factor for analyzing the optical cavity due to the manufacturing defect of the optical cavity, it is impossible to obtain a desired optical cavity. Therefore, the optical cavity must be manufactured very strictly. Therefore, there is a problem that a great amount of cost and time are required for manufacturing the optical cavity.

本発明の目的はNDIR(非分散型赤外)法により気体の光に対する吸収特性を利用して気体の濃度を測定する気体センサーの重要部分である気体セルの製造において、既存の気体セルの例より遥かに優秀な光学的な測定特性を持つ気体セルの製造及びおの分析方法を提案することにある。   An object of the present invention is to provide an example of an existing gas cell in the manufacture of a gas cell, which is an important part of a gas sensor that measures the concentration of a gas by utilizing the absorption characteristic of the gas to light by the NDIR (non-dispersive infrared) method. The object is to propose a method for manufacturing and analyzing gas cells with much better optical measurement properties.

NDIR方式による気体の濃度測定方式は安価であるにも関わらず測定の正確度と精密度が高いため、最近注目を浴びている。そのような方式の原理は、気体の光(light)に対する特定波長の吸収度を利用するもので、その波長の光を気体に照射した場合に光が吸収される程度を測定することで気体の濃度を算出できる。より詳しくは例えば二酸化炭素(CO2)の場合4.3μmの波長の赤外線で最も良い吸収特性を見せるが、二酸化炭素の濃度を測定するため4.3μmの赤外線を照射し、二酸化炭素の濃度が0の場合に光検出器から検出される赤外線の強度と二酸化炭素により吸収された後の残りの赤外線の強度の比率から二酸化炭素の濃度を算出できる。 The gas concentration measurement method using the NDIR method has attracted attention recently because it is inexpensive and has high measurement accuracy and precision. The principle of such a system is to use the absorbance of a specific wavelength with respect to light of gas, and measure the degree of absorption of light when the gas is irradiated with light of that wavelength. The concentration can be calculated. More specifically, for example, in the case of carbon dioxide (CO 2 ), the best absorption characteristics are shown with infrared rays having a wavelength of 4.3 μm, but in order to measure the concentration of carbon dioxide, the infrared rays of 4.3 μm are irradiated and the concentration of carbon dioxide is 0. In this case, the concentration of carbon dioxide can be calculated from the ratio of the intensity of infrared rays detected from the photodetector and the intensity of the remaining infrared rays after being absorbed by carbon dioxide.

このような場合、同一濃度の気体であっても光が気体を透過して進行する道(経路)が長ければ長いほど光検出器から測定される光の強度は小さいため、結果的に入射された光の強度と測定された光の強度の比率が大きくなるので、より精密な測定が可能になる。結局、NDIR方式の気体濃度の測定方式では、制限された空間的な領域内でより長い光経路を提供する光空洞を製造する事が最も重要な要件とも言える。   In such a case, even if the gas has the same concentration, the longer the path (path) through which the light travels through the gas, the smaller the intensity of the light measured from the photodetector, so that the light is incident as a result. Since the ratio of the intensity of the measured light and the intensity of the measured light is increased, more precise measurement is possible. After all, in the NDIR gas concentration measurement method, it can be said that the most important requirement is to manufacture an optical cavity that provides a longer optical path in a limited spatial region.

よって、本発明はこのような要件を充足するため、焦点と光軸を共有する放物線状の二つの凹面鏡を利用して光の経路を非常に長くすることができるように製造された光空洞を使用した気体セルの製造方法及びその分析方法を提示しようとする。よって、本発明は既存の気体セルより優秀な特性を持つ光空洞を含む気体セルを提示することで、より正確且つ精密に気体の濃度を測定できる気体センサーの製造を可能にする。   Therefore, in order to satisfy these requirements, the present invention provides an optical cavity manufactured so that the path of light can be made very long by using two parabolic concave mirrors sharing a focal point and an optical axis. The method of manufacturing the gas cell used and its analysis method are to be presented. Therefore, the present invention makes it possible to manufacture a gas sensor that can measure the concentration of gas more accurately and accurately by presenting a gas cell including an optical cavity having superior properties than existing gas cells.

前述のように、制限されたサイズのなかで効果的な光経路を得るための気体セルを製造するためには、次のような条件を満たす必要がある。つまり、本発明は、このような条件を満足する気体セルを製造し、そのような気体セルを適切に分析するための方法を提示する。   As described above, in order to manufacture a gas cell for obtaining an effective optical path within a limited size, the following conditions must be satisfied. That is, the present invention presents a method for producing a gas cell that satisfies such conditions and for appropriately analyzing such a gas cell.

1)光空洞を設計する際、適切な形の幾何学的な構造を持つレンズや鏡を利用することになるが、そのような幾何学的な構造はなるべく簡単なものであるべきである。すると、システムの分析が容易なだけではなく、製造においても費用や時間が節約できるのである。   1) When designing optical cavities, lenses and mirrors with appropriately shaped geometric structures will be used, but such geometric structures should be as simple as possible. This not only facilitates system analysis, but also saves money and time in manufacturing.

2)光空洞内の光学システムは安定したものであるべきである。つまり、外部からの衝撃や気体セルの製造過程で発生する可能性のある小さなミスに対し、光経路が所望の経路から少し外れたとしても光が安定的に光検出器に収斂しうるようにしなければならない。そのような条件を充足するためには入力条件(光源の条件)のばらつきに対しても安定的な出力(光検出)が可能でなければならない。   2) The optical system in the optical cavity should be stable. In other words, for small impacts that may occur during external shocks or gas cell manufacturing processes, even if the optical path deviates slightly from the desired path, the light can be converged stably on the photodetector. There must be. In order to satisfy such conditions, stable output (light detection) must be possible even with variations in input conditions (light source conditions).

よって、本発明は上記の条件を充足する光空洞の製造方法と、既存の光空洞よりも光経路の長さが長い光空洞を利用した気体セルの製造方法を提案する。   Therefore, the present invention proposes a method for manufacturing an optical cavity that satisfies the above-described conditions and a method for manufacturing a gas cell using an optical cavity having a longer optical path length than an existing optical cavity.

本発明では、図1のように、焦点距離が異なる二つの2次関数放物線の凹面鏡が、焦点と光軸を共有するように互いに向き合うように配置される。また、二つの凹面鏡が交差する点に、焦点を向くように光源を配置し、光軸に光検出器を配置する。このような構成により光源から放出された光は焦点を通過し、凹面鏡内で数回の反射を重ね、光軸へと収斂し、結局は光検出器から検出される。このように収斂する光は光源が製造上のミスにより焦点から少し位置ずれしてしまった場合にも得ることができる。よって、本発明は前述した条件で2次関数放物線の鏡を利用することで、構造が簡素で分析が容易なシステムを提供する。このようなシステムは非常に安定した光検出特性を持つ。以下により詳細に本発明の構成について説明する。   In the present invention, as shown in FIG. 1, two quadratic function parabolic concave mirrors having different focal lengths are arranged to face each other so as to share the focal point and the optical axis. In addition, a light source is arranged at the point where the two concave mirrors intersect so as to face the focus, and a photodetector is arranged on the optical axis. With such a configuration, the light emitted from the light source passes through the focal point, is reflected several times in the concave mirror, converges to the optical axis, and is eventually detected by the photodetector. Such convergent light can be obtained even when the light source is slightly displaced from the focal point due to manufacturing errors. Therefore, the present invention provides a system that is simple in structure and easy to analyze by using a quadratic function parabolic mirror under the above-described conditions. Such a system has very stable light detection characteristics. The configuration of the present invention will be described in detail below.

このような構成を達成するために、下記の(1)と(2)のような特性を持つ凹面鏡の関数を求め、それを利用した光学収斂系を提供する。
(1)凹面鏡の焦点を通過する入射光は、鏡面によって反射された後、光軸と平行に進行する。
(2)光軸と平行に入射した光は、鏡面によって反射された後、焦点を通過して進行する。
In order to achieve such a configuration, a function of a concave mirror having the following characteristics (1) and (2) is obtained, and an optical convergence system using the function is provided.
(1) Incident light that passes through the focal point of the concave mirror is reflected by the mirror surface and then travels parallel to the optical axis.
(2) The light incident parallel to the optical axis is reflected by the mirror surface and then travels through the focal point.

前述したように、本発明で提案する気体セルの光空洞は、2次関数の放物線を利用するため、その製造及び分析が非常に容易であるという特性を持っている。本発明を利用して光空洞を製造する場合に考慮すべき変数は、p、p'、L1、及びL2であり、上記に提示したように、このような変数を適切に調整することで、最適な光空洞を製造及び分析しうる方法として、比較的簡単な数学関係式も提示した。このような関係式を適切に調整し、望む特性を持つ気体セルを製造できるようにすることで、最適な気体センサーの製造が可能となる。 As described above, since the optical cavity of the gas cell proposed in the present invention uses a parabola of a quadratic function, it has a characteristic that it is very easy to manufacture and analyze. The variables to consider when using the present invention to produce an optical cavity are p, p ′, L 1 , and L 2 , and appropriately adjusting such variables as presented above. So, a relatively simple mathematical relational expression was also presented as a method for producing and analyzing the optimum optical cavity. By appropriately adjusting such a relational expression so that a gas cell having desired characteristics can be manufactured, an optimal gas sensor can be manufactured.

また、本発明で提示する光空洞は、外部からの衝撃や気体セルの製造過程で発生しうる小さなミスによって光経路が望む経路から若干外れても、光が安定的に光検出器に収斂できる構造とすることで、入力条件(光源の条件)の変化に対しても安定的な出力(光検出)が可能である。つまり、本発明で提示する気体セルの光空洞は、理想的な光経路に対して若干ばらつきがある場合でも、光を安定して光検出器に収斂させることが可能であり、光の強度の浪費を節約できる効果がある。   In addition, the optical cavity presented in the present invention can stably converge light on the photodetector even if the optical path deviates slightly from the desired path due to external impacts or small mistakes that can occur during the manufacturing process of the gas cell. By adopting a structure, stable output (light detection) is possible even when the input conditions (light source conditions) change. In other words, the optical cavity of the gas cell presented in the present invention can stably converge the light to the photodetector even if there is some variation with respect to the ideal optical path, This has the effect of saving waste.

また、本発明で提示する光空洞は、上記の一例を見ても既存の光空洞に比べ、非常に長い光経路を持つ。そのため、より精密で正確な気体セルを製造できる。   In addition, the optical cavity presented in the present invention has a very long optical path as compared with the existing optical cavity even when the above example is seen. Therefore, a more precise and accurate gas cell can be manufactured.

既存の大部分の光空洞はその製造において多様な凹面鏡と凸面鏡及びレンズの組み合わせにより、シミュレーション法で、最適な光経路の条件を探す。しかし、このような場合、多くの試行錯誤を重ねるだけではなく、多くの人力が所用され、実製造及び試験(テスト)過程で多くの時間と費用が所用されるので、結果的に気体センサーの価格を上昇させることとなる。   Most existing optical cavities are searched for optimum optical path conditions by a simulation method by combining various concave mirrors, convex mirrors and lenses. However, in such a case, not only a lot of trial and error is repeated, but a lot of human power is used, and a lot of time and cost are used in the actual manufacturing and test (testing) process. This will increase the price.

本発明は、前述したように、構成が非常に簡単で、その数学的な分析もそれほど難しくないため、光空洞の製造において、所用される費用と時間を大幅に節約できるという効果を奏する。これにより、余計な価格上昇の要因を除去できるし、市場の要求に適切に対応できるという効果もある。   As described above, the present invention is very simple to construct and is not so difficult to mathematically analyze. Therefore, the manufacturing cost of the optical cavity can be greatly reduced. As a result, it is possible to eliminate the cause of excessive price increase and to respond appropriately to market demands.

以下、図面を参照してより詳細に本発明の構成について説明する。
図1は本発明の一つの実施例による、二つの2次元放物線状の凹面鏡を利用した光空洞に関する図である。
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram of an optical cavity using two two-dimensional parabolic concave mirrors according to one embodiment of the present invention.

これら2次関数放物線の凹面鏡においては、焦点に向かって入射した光は鏡面によって反射された後に光軸と平行に進行し、光軸と平行に入射した光は鏡面によって反射された後に焦点を通過する。このような2次関数の凹面鏡の反射特性を利用して図1のように焦点距離が各々pとp’である二つの2次関数に対し、焦点を共有するように二つの凹面鏡を向かい合わせて光空洞を構成する。また、A0に焦点を向くように光源(light source)を配置し、光軸(p,0)に光検出器(detector)を-x方向に配置する。 In these quadratic parabolic concave mirrors, light incident toward the focal point travels parallel to the optical axis after being reflected by the mirror surface, and light incident parallel to the optical axis passes through the focal point after being reflected by the mirror surface. To do. Utilizing the reflection characteristics of the concave mirror of such a quadratic function, the two concave mirrors face each other so as to share the focal point with respect to the two quadratic functions having focal lengths p and p ′ as shown in FIG. To form an optical cavity. Further, a light source is arranged so as to be focused on A 0 , and a photodetector is arranged on the optical axis (p, 0) in the −x direction.

光源から共通の焦点を向かって放出された光は放物線凹面鏡の特性により内部で数回反射して、光軸へと収斂し、最終的に光検出器で検出可能である。   The light emitted from the light source toward the common focal point is internally reflected several times due to the characteristics of the parabolic concave mirror, converges to the optical axis, and can finally be detected by the photodetector.

このような場合、pとp'の条件により光経路(optical path)の長さを調整できる。例えば p=15mm、p'=13.5mmの条件でビーム径(beam size)と検出器の直径が各4mm、4mmの場合、本発明の分析法により約1026mmの光路長を求めることができる。   In such a case, the length of the optical path can be adjusted according to the conditions of p and p ′. For example, when the beam size and the detector diameter are 4 mm and 4 mm respectively under the conditions of p = 15 mm and p ′ = 13.5 mm, the optical path length of about 1026 mm can be obtained by the analysis method of the present invention.

1.凹面鏡関数の誘導
上記の(1)と(2)の特性を持つ凹面鏡の関数を導出するため、簡単な微分方程式を利用することにする。
1. Derivation of concave mirror function In order to derive the function of the concave mirror having the above characteristics (1) and (2), a simple differential equation is used.

図2は本発明の一つの実施例による光空洞を形成する2次関数放物線に関する図として、任意の関数に対し、上記の二つの条件を満足させる図式を提示する。   FIG. 2 presents a diagram that satisfies the above two conditions for an arbitrary function as a diagram of a quadratic function parabola that forms an optical cavity according to one embodiment of the present invention.

任意の関数y=f(x)(201)の形を取る鏡に対し、x軸と平行に入射した光(202)が鏡のA(x、y)(203)に反射し原点(210)を通る場合(204)、A(203)を通過する法線(205)の方程式に対し、入射角α(207)と反射角β(206)が同じであるという反射原理から法線(205)はx軸上の点B(208)を通過するようになる。その時、α(207)=β(206)=γ(209)の条件が成立され、それにより

Figure 0004547427
が成立するので、(x、y)は(1)式のような方程式を満足する。
Figure 0004547427
For a mirror that takes the form of an arbitrary function y = f (x) (201), light (202) incident parallel to the x-axis is reflected on the mirror's A (x, y) (203) and the origin (210) (204), the normal (205) from the reflection principle that the incident angle α (207) and the reflection angle β (206) are the same as the equation of the normal (205) passing through A (203) Passes through point B (208) on the x-axis. At that time, the condition of α (207) = β (206) = γ (209) is satisfied,
Figure 0004547427
(X, y) satisfies the equation (1).
Figure 0004547427

(1)式を2次元の極座標(γ、θ)として変換させると(2)式が得られる。

Figure 0004547427
When equation (1) is converted as two-dimensional polar coordinates (γ, θ), equation (2) is obtained.
Figure 0004547427

(2)式を整理すると(3)式が導出される。

Figure 0004547427
By rearranging equation (2), equation (3) is derived.
Figure 0004547427

(3)式の微分方程式の解を求めるためcosθ-1 = zとして置換するとdz = -sinθdθであるため、(3)式は次の(4)式のように表現できる。

Figure 0004547427
When substituting cosθ-1 = z to find the solution of the differential equation of equation (3), dz = −sinθdθ, so equation (3) can be expressed as the following equation (4).
Figure 0004547427

図2において、y=0の場合x=-p0(p0>0)とするとγ=p0及びθ=πであるため、(4)式からC0=-2p0を得られる。これを(4)式に代入して整理すると(5)式が導出される。

Figure 0004547427
In FIG. 2, when y = 0, if x = −p 0 (p 0 > 0), then γ = p 0 and θ = π, so that C 0 = −2p 0 can be obtained from equation (4). Substituting this into equation (4) and rearranging results in equation (5).
Figure 0004547427

(5)式を整理すると(6)式のようなyに対する2次放物線の曲線を導出できる。

Figure 0004547427
If the equation (5) is rearranged, the curve of the secondary parabola with respect to y as in the equation (6) can be derived.
Figure 0004547427

図2と(1)式から導出されたこのような2次放物線曲線で製造された凹面鏡は次のような‘反射特性’を持つ。
- 光軸(図2でのx軸)に平行に入射した光は、2次放物線曲線の凹面鏡によって反射され、焦点(図2の原点(O))を通過する。
- 焦点を通過して入射した光は、2次放物線曲線の凹面鏡によって反射され、光軸と平行に進行する。
A concave mirror manufactured with such a second-order parabolic curve derived from FIG. 2 and equation (1) has the following 'reflection characteristics'.
-Light incident parallel to the optical axis (x-axis in FIG. 2) is reflected by the concave mirror of the second-order parabolic curve and passes through the focal point (the origin (O) in FIG. 2).
-Light incident through the focal point is reflected by a concave mirror with a quadratic parabolic curve and travels parallel to the optical axis.

2.二つの2次関数放物線の凹面鏡として構成された光空洞の特性
以下、光空洞の特性について図3を利用して説明する。ここで、光空洞は、互いに焦点距離は異なるが焦点と光軸を共有する、互いに向き合うように配置された二つの放物線状凹面鏡を利用する。
2. Characteristics of optical cavity configured as concave mirrors of two quadratic function parabolas The characteristics of the optical cavity will be described below with reference to FIG. Here, the optical cavity uses two parabolic concave mirrors that are arranged so as to face each other and share the focal point and the optical axis, but have different focal lengths.

図3は本発明の一つの実施例による光空洞の経路特性に関する図であって、y2 = -4p(x-p) (301)及びy2 = 4p’(x+p’) (302)の2次関数放物線にそれぞれ対応する二つの凹面鏡を組み合わせることにより実現される光空洞を図示する。各々の頂点は(p、0)(305)と(-p'、0)(306)であり、(0<p’<p)である。また、各焦点Fは原点(303)であり、光軸はx軸 (320)であり、ともに共有される。 FIG. 3 is a diagram showing the path characteristics of an optical cavity according to an embodiment of the present invention, and y 2 = −4p (xp) (301) and y 2 = 4p ′ (x + p ′) (302). 2 illustrates an optical cavity realized by combining two concave mirrors, each corresponding to a quadratic parabola. Each vertex is (p, 0) (305) and (-p ', 0) (306), where (0 <p'<p). Each focal point F is the origin (303) and the optical axis is the x-axis (320), which are shared.

光源(304)の位置は、放出された光が焦点を通過して凹面鏡(301)で反射されるのであれば、どのような位置に設定しても構わない。本発明では説明の便宜上、凹面鏡(301)と凹面鏡(302)の二つの交点のうちの一つであり且つ+y方向に位置するA0に光源を配置する。しかし、このような光源(304)の位置は例示のみを意味し、このような光源の位置だけに本発明の趣旨が制限されないことは明らかである。光源(304)が位置する点の座標は

Figure 0004547427
とする。光源から放出された光は閉鎖された光空洞で1回循環(A0 304 → B0 307 → C0 308 → D0 309)を経て、A1に到達する。その後、光は類似のルート(A2 → A3 →A4 ... An → ... A)を進む。前述したようにAは(p, 0)であり、この点に検出器を位置させる。このようなAN座標を求めることで、光空洞内部での光の進行特性を特定することができる。そのため、AN、BN、CN、及びDNを(7)式のように定義する。
Figure 0004547427
The position of the light source (304) may be set to any position as long as the emitted light passes through the focal point and is reflected by the concave mirror (301). In the present invention, for convenience of explanation, the light source is arranged at A 0 which is one of the two intersections of the concave mirror (301) and the concave mirror (302) and is located in the + y direction. However, the position of such a light source (304) is meant only as an example, and it is clear that the gist of the present invention is not limited to such a position of the light source. The coordinates of the point where the light source (304) is located are
Figure 0004547427
And The light emitted from the light source reaches the A 1 through a closed optical cavity through one circulation (A 0 304 → B 0 307 → C 0 308 → D 0 309). After that, the light follows a similar route (A 2 → A 3 → A 4 ... A n → ... A ). As described above, A∞ is (p, 0), and the detector is positioned at this point. By determining such an A- N coordinate, it is possible to specify the light traveling characteristics inside the optical cavity. Therefore, A N , B N , C N , and D N are defined as in equation (7).
Figure 0004547427

ここで、A1 = (α11)をα0とβ0として表し、これを一般化しAn = (αnn)をα0とβ0として表すことで、光の進行路を分析する。このため、まずB0、C0、及びD0を各々α0とβ0として表してみる。 Here, A 1 = (α 1 , β 1 ) is expressed as α 0 and β 0 , and this is generalized and A n = (α n , β n ) is expressed as α 0 and β 0 , so that the light travels Analyze the road. For this reason, B 0 , C 0 , and D 0 are first expressed as α 0 and β 0 , respectively.

図3でA0とB0は各々y2 = -4p(x-p)及びy2 = 4p’(x+p’)上の点であり、原点を通過する直線の上にあるため、次の(8)、(9)、(10)式のような関係が成立する。

Figure 0004547427
In FIG. 3, A 0 and B 0 are points on y 2 = −4p (xp) and y 2 = 4p ′ (x + p ′), respectively, and are on a straight line passing through the origin. The relationships as shown in equations 8), (9), and (10) are established.
Figure 0004547427

(8)、(9)、(10)式のα’0とβ’0に対する2元2次連立方程式をα’0に対して整理すると(11)式が誘導され、これの解を求めると(12)式のようになる。

Figure 0004547427
(8), (9), (10) of alpha '0 and beta' and rearranging the binary quadratic equations for 0 for alpha '0 (11) expression is induced, when seeking this solution It becomes like (12) Formula.
Figure 0004547427

ここでα0とα’0は原点に対して互いに対称な点であるため、互いに符号が反対である。よって、(12)式でα’0 = -(p’/p)α0だけが成立する解である。また、β’0は(10)式から誘導される。((13)式参照)

Figure 0004547427
Here, since α 0 and α ′ 0 are symmetrical points with respect to the origin, the signs are opposite to each other. Therefore, in equation (12), only α ′ 0 = − (p ′ / p) α 0 is satisfied. Β ′ 0 is derived from the equation (10). (Refer to equation (13))
Figure 0004547427

2次放物線の関数の特性によって

Figure 0004547427
はx軸に平行な直線であるため、β’’0=β’0が成立し、また、C0はy2 = -4p(x-p)上の点であるため、C0は(14)式のように求められる。
Figure 0004547427
Depending on the characteristics of the function of the secondary parabola
Figure 0004547427
Is a straight line parallel to the x-axis, so β '' 0 = β ' 0 is satisfied, and C 0 is a point on y 2 = -4p (xp), so C 0 is the formula (14) It is required as follows.
Figure 0004547427

ここで、A0はy2 = -4p(x-p)上の任意の点だとすると、結局A0→C0の経路はC0→A1の経路と対称であることになる。つまり、A1はC0の座標で表示できるし、また、A0の座標として表示できる。なので、A1の座標は(15)式として表示される。(ここでT ≡ -(p’/p) (<0)とする。)

Figure 0004547427
Here, if A 0 is an arbitrary point on y 2 = −4p (xp), the route A 0 → C 0 is eventually symmetric with the route C 0 → A 1 . That is, A 1 can be displayed as the coordinates of C 0 and can be displayed as the coordinates of A 0 . So, the coordinates A 1 is displayed as (15). (Here T ≡-(p '/ p) (<0).)
Figure 0004547427

(15)式の結果からAnとAn-1の関係式は(16)式と同じであることを考えられる。

Figure 0004547427
From the result of equation (15), it can be considered that the relational expression of An and An-1 is the same as that of equation (16).
Figure 0004547427

同じように、(13)、(14)、(16)式から、Bn、Cn、及びDnは次の(17)式のように導出される。

Figure 0004547427
Similarly , from the equations (13), (14), and (16), B n , C n , and D n are derived as the following equation (17).
Figure 0004547427

(16)式で分かるように、nが増加すればするほど(αnn)が(p,0)に収斂することが分かる。つまり、光源(304)から放出された光は、(p,0)と(-p’,0)の間で往復し、最終的に光軸であるx軸(320)に収斂することが分かる。光検出器(321)を光軸であるx軸(320)上の点(p,0)に原点(焦点)を向くように配置した場合、光源(304)から放出され焦点を通過する光はすべて光検出器(321)に収斂される。 As can be seen from equation (16), it can be seen that (α n , β n ) converges to (p, 0) as n increases. That is, it can be seen that the light emitted from the light source (304) reciprocates between (p, 0) and (−p ′, 0) and finally converges on the x-axis (320) that is the optical axis. . When the photodetector (321) is placed at the point (p, 0) on the x-axis (320), which is the optical axis, so as to face the origin (focal point), the light emitted from the light source (304) and passing through the focal point is All are converged on the photodetector (321).

3. 光空洞内での光経路の長さ
光空洞のAn-1→Anの光経路の長さを循環長さL(An)とし、L(An)を求めてみる。L(An)を求めることの目的は、光源から放出された光が光検出器に到達するまでの光経路の全長を算出することである。すなわち、光空洞内で光が1回循環する間の経路の長さを繰り返し求め、それを合算することで、光経路の全長を求める。光経路の全長は気体センサーの性能を左右する非常に重要な因子であり、その分析方法を知っていれば、用途別に気体センサーを製造する際、少ない費用で最も効率の良い気体センサーの製造が可能になる。
3. Length of the optical path in the optical cavity Let the length of the optical path of A n-1 → A n in the optical cavity be the circulation length L (A n ) and find L (A n ). The purpose of obtaining L (A n ) is to calculate the total length of the light path until the light emitted from the light source reaches the photodetector. That is, the total length of the optical path is obtained by repeatedly obtaining the length of the path during which light circulates once in the optical cavity and adding it up. The total length of the light path is a very important factor that affects the performance of a gas sensor, and if you know how to analyze it, the most efficient gas sensor can be manufactured at a low cost when manufacturing gas sensors by application. It becomes possible.

光経路の全長は

Figure 0004547427
であるため、光の循環長さをそれぞれ求め、nに関して合算する。(16)式と(17)式から(18)式が導出される。
Figure 0004547427
The total length of the light path is
Figure 0004547427
Therefore, the light circulation lengths are obtained and summed up for n. Equation (18) is derived from Equation (16) and Equation (17).
Figure 0004547427

(18)式で直線の長さの公式と(8)、(9)、(16)、(17)式を利用して1回循環したときの長さL(An)を求めると(19)式が導出される。

Figure 0004547427
Using formula (18) and formula (8), (9), (16), and (17), the length L (A n ) after one cycle is calculated using (19) ) Is derived.
Figure 0004547427

(19)式から、(α00)に位置した光源から放出された光が光空洞内でn回循環する場合の光経路の全長Lは(20)式として表現できる。

Figure 0004547427
From the equation (19), the total length L of the optical path when the light emitted from the light source located at (α 0 , β 0 ) circulates n times in the optical cavity can be expressed as the equation (20).
Figure 0004547427

(20)式はTに関する二つの関数として構成されている。L=L(T)=F1(T)+F2(T)とすると、F1(T)、F2(T)は(21)式、(22)式として表わされる。

Figure 0004547427
Equation (20) is constructed as two functions related to T. Assuming that L = L (T) = F 1 (T) + F 2 (T), F 1 (T) and F 2 (T) are expressed as equations (21) and (22).
Figure 0004547427

光経路の全長Lを二つの関数に分ける理由は、二つの関数の光路全長に対する寄与度を算出するためである。N(循環回数)が増加するとF1(T)は比例して増加するが、F2(T)は減少するこが分かる。よって、十分にNが大きい場合、光路全長Lは主にF1(T)の影響を受けるものと考えられる。F1(T)とF2(T)の相対的な寄与度を(23)式のG(T)として表現することにする。

Figure 0004547427
The reason for dividing the total length L of the optical path into two functions is to calculate the contribution of the two functions to the total length of the optical path. It can be seen that as N (the number of circulations) increases, F 1 (T) increases proportionally, but F 2 (T) decreases. Therefore, when N is sufficiently large, the total optical path length L is considered to be mainly affected by F 1 (T). The relative contribution of F 1 (T) and F 2 (T) is expressed as G (T) in equation (23).
Figure 0004547427

(23)式に対し、図3で提示したα0 = p-p’の値を代入する。図3より、光源が光空洞の最も外側に配置された場合に、循環長さが大きくなることが理解される。後述するが、このような点A0が光源を配置するのに最適な位置である。しかし、本発明での光源の位置は、図3のA0に限定されないことは当然である。 The value of α 0 = p−p ′ presented in FIG. 3 is substituted into equation (23). From FIG. 3, it is understood that the circulation length increases when the light source is arranged at the outermost side of the optical cavity. As will be described later, such a point A 0 is an optimum position for arranging the light source. However, the position of the light source of the present invention is not limited to A 0 of Fig. 3 is of course.

α0 = p-p’を(23)式に代入して整理すると(24)式が導出される。

Figure 0004547427
Substituting α 0 = p−p ′ into equation (23) and rearranging results in equation (24).
Figure 0004547427

(24)式で、Tは負の値をとり、Nは正の値をとるため、(25)式のような条件を満足する。T4Nは正の数であるため、G(T)は-1<T<0の区間で次のような条件が成立する。

Figure 0004547427
In Equation (24), T takes a negative value and N takes a positive value, so the condition as in Equation (25) is satisfied. Since T 4N is a positive number, G (T) satisfies the following condition in a section where -1 <T <0.
Figure 0004547427

(25)式から、循環回数Nが十分大きい場合のLは(26)式として近似できる。

Figure 0004547427
From equation (25), L when the number of circulations N is sufficiently large can be approximated as equation (26).
Figure 0004547427

4. ビーム径(beam size)と光検出器の大きさによる、p及びp’の条件に基づいた循環回数Nの算出
本発明において、光空洞内で進行する光は、(16)式により、光空洞内で循環して、光軸に収斂する。(16)式で分かるように、Tの条件により収斂の速度を調整できる。つまり、Tが-1に近いほど収斂速度は低下し、Tが-1であると無限ループ(loop)となる。また、Tが0に近いほど収斂速度は増加する。
4. Calculation of the number of circulations N based on the conditions of p and p ′ based on the beam size and the size of the photodetector In the present invention, the light traveling in the optical cavity is expressed by the following equation (16): It circulates in the optical cavity and converges on the optical axis. As can be seen from equation (16), the speed of convergence can be adjusted according to the condition of T. That is, the convergence speed decreases as T is closer to -1, and when T is -1, an infinite loop is obtained. The convergence speed increases as T is closer to 0.

実用においては、光検出器は一定の大きさを持つため、光空洞内を進行する光は、限られた循環回数だけ光空洞を循環した後に光検出器で検出される。よって、T値を調整することで、循環回数Nを調整できる。しかし、光源も一定の大きさを持っているため、光源から放出された光が1回循環した後、A1に到達した場合、光が光源と干渉する可能性がある。このような条件を考慮しつつ、光空洞を進行する光が光検出器に収斂するまでの循環回数を算出しなければならない。 In practical use, since the photodetector has a certain size, light traveling in the optical cavity is detected by the photodetector after circulating through the optical cavity a limited number of times. Therefore, the number of circulations N can be adjusted by adjusting the T value. However, since the light sources have a certain size, after light emitted from the light source is circulated once, when it reaches the A 1, the light may interfere with the light source. In consideration of such conditions, the number of circulations until the light traveling through the optical cavity converges on the photodetector must be calculated.

図4は光源による干渉(円401)と、光検出器の大きさにより光が検出される条件(円402)を図示したものである。円(403)は円(402)を拡大して図示したものである。光は線ではなく、束で進行するため一定のビーム径(beam size)を持つ。このように、光は所定のビーム径(図4でL1)を有するので、それが1回循環した後にA1に到達する際に、光源と重複しないようにしなければならない。つまり、このような重複は光の損失を意味し、直ちに気体センサーの性能を低下させる要因となるだろう。 FIG. 4 illustrates the interference (circle 401) by the light source and the condition (circle 402) under which light is detected depending on the size of the photodetector. A circle (403) is an enlarged view of the circle (402). Since light travels in bundles, not lines, it has a constant beam size. Thus, since the light has a predetermined beam diameter (L 1 in FIG. 4), it must not overlap with the light source when it reaches A 1 after it has circulated once. In other words, such duplication means loss of light and will immediately cause the performance of the gas sensor to deteriorate.

光源から放出された光の大きさ(ビーム径)は光源の光放出口の大きさと同一のものなので、光源のサイズとビーム径は同一であると仮定する。   Since the size of the light emitted from the light source (beam diameter) is the same as the size of the light emission port of the light source, it is assumed that the size of the light source and the beam diameter are the same.

それなので、図4の円(403)に示す光源と光とが重複しない条件は(27)式のように与えられる。

Figure 0004547427
Therefore, the condition that the light source and the light shown in a circle (403) in FIG. 4 do not overlap is given by the equation (27).
Figure 0004547427

前述した図3のように光源が位置する場合、(27)式のβ0とβ1及びsinθは、式(28)のように表現される。

Figure 0004547427
When the light source is located as shown in FIG. 3 described above, β 0 , β 1, and sin θ in Expression (27) are expressed as Expression (28).
Figure 0004547427

(28)式を(27)に代入して整理してみると(29)が導出されるし、(29)式は光源から放出された光が1回循環した後に光源と重複しないようにするための条件である。つまり、本発明により光空洞を製造する際、(29)式を充足するようpとp'値を調整しなければならない。

Figure 0004547427
Substituting Eq. (28) into (27) and rearranging results in (29), and Eq. (29) ensures that the light emitted from the light source does not overlap with the light source after circulating once. It is a condition for. That is, when manufacturing the optical cavity according to the present invention, the p and p ′ values must be adjusted so as to satisfy Equation (29).
Figure 0004547427

また、円(402)の拡大図である円(404)に示すように、光源からの光が光空洞をN回循環した後に光検出器に収斂するのであれば、光のN回目の循環を有効なものとするためには、ビーム径の半分の光が光検出器と重複したときに光が検出されたものとみなす場合、光検出器のサイズを考慮した光検出条件は(30)式を満たしていなければならない。ここで、ビーム径の半分と光検出器の断面の半分が重なる場合に光が光検出器によって検出されたものとみなす。

Figure 0004547427
Further, as shown in a circle (404) which is an enlarged view of the circle (402), if the light from the light source circulates through the optical cavity N times and then converges on the photodetector, the Nth circulation of light is performed. In order to be effective, when it is considered that light is detected when light with half the beam diameter overlaps with the photodetector, the light detection condition considering the size of the photodetector is expressed by Equation (30). Must be met. Here, it is assumed that light is detected by the photodetector when half of the beam diameter and half of the cross section of the photodetector overlap.
Figure 0004547427

同じく図3の条件を代入すると

Figure 0004547427
であるため、(30)式は(31)式として表現される。
Figure 0004547427
Similarly, substituting the conditions of FIG.
Figure 0004547427
Therefore, Expression (30) is expressed as Expression (31).
Figure 0004547427

(19)式の両辺を、自然対数をとって整理すると(32)式が導出される。

Figure 0004547427
If both sides of equation (19) are arranged by taking the natural logarithm, equation (32) is derived.
Figure 0004547427

(32)式はp、p'、L1、及びL2に対する最大の循環回数の条件である。
したがって、本発明の気体セルを製造する場合、(29)式からp及びp’の条件を適用し、これに従い(32)式から光の循環の回数を算出する。例えばL1=4mm、L2=4mm、p=10mm、p'=9mmの条件下で光空洞を製造する場合、この条件は(29)式を満足し、(32)式からの循環回数N=7が求められる。これを(26)式に代入すると光空洞内での光経路の全長は約532mmと算出される。
Equation (32) is a condition for the maximum number of cycles for p, p ′, L 1 , and L 2 .
Therefore, when the gas cell of the present invention is manufactured, the conditions of p and p ′ are applied from the equation (29), and the number of light circulations is calculated from the equation (32) accordingly. For example, when manufacturing an optical cavity under the conditions of L 1 = 4mm, L 2 = 4mm, p = 10mm, p '= 9mm, this condition satisfies the equation (29) and the number of circulations N from the equation (32) = 7 is required. Substituting this into the equation (26), the total length of the optical path in the optical cavity is calculated to be about 532 mm.

5.光経路逸脱に対する安定性分析
効率の良い気体セルを製造すべく気体の濃度を測定する際には、光源から放出される光の強度が大きいほど好ましい。しかし、光源の発光物質の物性の限界と光源の寿命などを考慮すると、所望の強度の光を利用することは難しい。よって、制限された強度の光を最も効率的に利用するために、等方的に放射される光を一つの方向に集めるべく、凸レンズや凹面鏡などを利用して光源から放出された光を光空洞の共通焦点に集める方法などがある。凸レンズや凹面鏡を利用する場合、理論上は光を一つの焦点に集められるが、実際には光を一つの点を通過させることは現実的に非常に難しい。また、このような事に製造の主眼点をおく場合、気体セルの製造に費用と時間が必要となる場合もあろう。また、多くの努力を重ね光を一つの点を通過できるようにしたとしても、外部の衝撃や製造過程での小さなミスにより気体セル内部の光学システムが位置ずれしてしまうと光源から放出された光が焦点から外れて進行する事もある。このような場合、光検出器に到達する光量が減少するため、測定の効率が落ち、結局は性能の低下をきたす。
5. Stability analysis against optical path deviation When measuring the concentration of gas in order to produce an efficient gas cell, the intensity of light emitted from the light source is preferably as large as possible. However, it is difficult to use light having a desired intensity in consideration of the physical properties of the luminescent material of the light source and the lifetime of the light source. Therefore, in order to use the light of limited intensity most efficiently, the light emitted from the light source using a convex lens or a concave mirror is collected to collect the isotropically emitted light in one direction. There is a method to collect in the common focus of the cavity. When a convex lens or a concave mirror is used, light can be collected in a single focal point in theory, but it is actually very difficult to actually pass light through one point. In addition, if the focus is on manufacturing in this way, the cost and time may be required to manufacture the gas cell. Even if many efforts were made to allow light to pass through a single point, the optical system inside the gas cell was misaligned due to external impacts or small mistakes in the manufacturing process. Sometimes light travels out of focus. In such a case, since the amount of light reaching the photodetector is reduced, the measurement efficiency is lowered, and eventually the performance is lowered.

本発明で提案する気体セルの光空洞は上記の場合に対し、非常に優秀な安定性を提供する。図5及び図6を例にとってこのことを説明する。   The optical cavity of the gas cell proposed in the present invention provides very good stability over the above case. This will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

図5は、同じ焦点距離の二つの放物線を有する光空洞の焦点から光が外れて進んだ場合における光路を分析するための手順を示す。すなわち、図5は、光空洞を構成する二つの2次関数の放物線鏡(501)、(502)の焦点距離が同じである場合(p=p’)における安定性を説明するための図である。   FIG. 5 shows the procedure for analyzing the optical path when light travels out of the focus of an optical cavity with two parabolas of the same focal length. That is, FIG. 5 is a diagram for explaining the stability in the case where the parabolic mirrors (501) and (502) of the two quadratic functions constituting the optical cavity have the same focal length (p = p ′). is there.

なお、二つの2次関数放物線の焦点距離が互いに異なる場合(図6で例示)でも、図5の手順に基づいて光の経路を分析することは可能である。   Even when the focal lengths of the two quadratic function parabolas are different from each other (illustrated in FIG. 6), it is possible to analyze the light path based on the procedure of FIG.

図5において、焦点距離が同じである場合、光源(503)で放出され、共通の焦点を通過した光は再び元の場所に戻る。つまり、A点の光源(503)から正確に焦点に向かって放出された光は、B、C、Dを経て再びAへ戻る。これは(16)式で確認できる(ここでT=-1)。光源(503)から放出された光が焦点から少し外れて進行しB0ではないB0'に到達し、x軸方向及びy軸方向への光のずれの度合いを各々ε(0)1及びδ(0)1とし、光がA0(503)→B0'(506)→C0'(508)→D0'(510)→A1'(504)の経路を持つ場合において、A0から放出された光が1回循環を経てA1'に到達する際にA1'の座標を求めることができ、A0とA1'の関係からA1'を一般化することができ、これにより光の経路が求められる。 In FIG. 5, when the focal length is the same, the light emitted from the light source (503) and passed through the common focal point returns to the original position again. That is, the light emitted from the light source (503) at the point A accurately toward the focal point returns to A again through B, C, and D. This can be confirmed by the equation (16) (where T = -1). Reaches the B 0 'is not a B 0 progressed slightly off the light focus emitted from the light source (503), each degree of deviation of the light in the x-axis and y-axis directions epsilon (0) 1 and If δ (0) 1 and the light has a path of A 0 (503) → B 0 ′ (506) → C 0 ′ (508) → D 0 ′ (510) → A 1 ′ (504), then A 0 through light is once circulated release can determine coordinates of 'a 1 when it reaches the' a 1 from, it is possible to generalize the 'a 1 from the relation between' a 0 and a 1 As a result, a light path is obtained.

A0(503)、B0'(506)、C0'(508)、D0'(510)、A1'(504)各々の座標は(33)式のように与えられることとする。ここで、ε(0)1、ε(0)2、δ(0)1、δ(0)2、μ(0)1、μ(0)2、ν(0)1、及びν(0)2の絶対値はpの値よりも十分に小さく、それらの積は0に収束するものと仮定する。

Figure 0004547427
The coordinates of A 0 (503), B 0 ′ (506), C 0 ′ (508), D 0 ′ (510), and A 1 ′ (504) are given by the equation (33). Where ε (0) 1 , ε (0) 2 , δ (0) 1 , δ (0) 2 , μ (0) 1 , μ (0) 2 , ν (0) 1 , and ν (0) Assume that the absolute value of 2 is sufficiently smaller than the value of p and that their products converge to 0.
Figure 0004547427

まず、本発明の光空洞の対称性を利用するために、光の経路がA0'→B0'→C0'の場合について先に分析することとする。このような場合、与えられたε(0)1及びδ(0)1に対し、C0'の座標をα0、β0、ε(0)1、及びδ(0)1として表すこともある。そのため、光がB0'から反射され、C0'に到達するため、光の反射法則を利用する。 First, in order to utilize the symmetry of the optical cavity of the present invention, the case where the light path is A 0 ′ → B 0 ′ → C 0 ′ will be analyzed first. In such a case, for a given ε (0) 1 and δ (0) 1 , the coordinates of C 0 ′ may be expressed as α 0 , β 0 , ε (0) 1 and δ (0) 1. is there. Therefore, since the light is reflected from B 0 ′ and reaches C 0 ′, the light reflection law is used.

ここで、

Figure 0004547427
の勾配をtanθAB’とし、B’の法線の勾配を
Figure 0004547427
とすると、三角関数の引き算の公式によりtanΔは次のように表示される。
Figure 0004547427
here,
Figure 0004547427
The gradient of tanθ AB ' and the gradient of B' normal
Figure 0004547427
Then, tanΔ is expressed as follows by the trigonometric subtraction formula.
Figure 0004547427

(33)式から

Figure 0004547427
が得られる。(α’0,β’0)はy2 = 4p(x+p)上の点であるため、この点での法線の勾配である
Figure 0004547427
は(37)式で表される。
Figure 0004547427
From equation (33)
Figure 0004547427
Is obtained. (α ' 0 , β' 0 ) is the point on y 2 = 4p (x + p), so it is the normal gradient at this point
Figure 0004547427
Is expressed by equation (37).
Figure 0004547427

よって、(36)式と(37)式を(35)式に代入して整理するとtanΔは次のように求められる。

Figure 0004547427
Therefore, when formulas (36) and (37) are substituted into formula (35) and rearranged, tanΔ is obtained as follows.
Figure 0004547427

tanΔは

Figure 0004547427
の勾配であるため、(33)式の勾配の公式を利用して以下の(39)式を導出できる。
Figure 0004547427
tanΔ is
Figure 0004547427
Therefore, the following equation (39) can be derived using the gradient formula of equation (33).
Figure 0004547427

(33)式を(39)式に代入して整理すると、ε(0)1とμ(0)1の関係は、次の(40)式で表されるように求めることができる。

Figure 0004547427
By substituting the equation (33) into the equation (39) and rearranging, the relationship between ε (0) 1 and μ (0) 1 can be obtained as expressed by the following equation (40).
Figure 0004547427

ここでδ(0)1とν(0)1の関係は考慮しない。なぜかというと2次放物線方程式からδ(0)1とε(0)1、ν(0)1とμ(0)1の関係を導出できるからである。 Here, the relationship between δ (0) 1 and ν (0) 1 is not considered. This is because the relationship between δ (0) 1 and ε (0) 1 and ν (0) 1 and μ (0) 1 can be derived from the quadratic parabolic equation.

本発明の光空洞の対称性によりC0'に到達した光は新たな光源とみなすことができるので、(33)式と(40)式から次の(41)式が導出される。

Figure 0004547427
Since the light reaching C 0 ′ can be regarded as a new light source due to the symmetry of the optical cavity of the present invention, the following equation (41) is derived from equations (33) and (40).
Figure 0004547427

よって、ε(0)1とε(0)2の関係からA1'の座標を求められる。また、光の反射法則を利用して

Figure 0004547427
の勾配を
Figure 0004547427
とし、B0'での法線の勾配を
Figure 0004547427
とすると三角関数の引き算の公式から次の(45)式が誘導される。
Figure 0004547427
Therefore, the coordinates of A 1 ′ can be obtained from the relationship between ε (0) 1 and ε (0) 2 . Also, using the light reflection law
Figure 0004547427
The slope of
Figure 0004547427
And the slope of the normal at B 0 '
Figure 0004547427
Then, the following equation (45) is derived from the trigonometric subtraction formula.
Figure 0004547427

2次放物線曲線の法線の公式から誘導された

Figure 0004547427
と(38)式と(33)式を利用して(45)式を整理すると、ε(0)1とε(0)2の間に次のような関係を導出できる。
ε(0)1 = -ε(0)2−−−−−(46) Derived from the normal formula of the quadratic parabolic curve
Figure 0004547427
Using (38) and (33) and rearranging (45), the following relationship can be derived between ε (0) 1 and ε (0) 2 .
ε (0) 1 = -ε (0) 2 ------ (46)

(46)式を(41)式に代入するとA1'のx座標は次の(47)式で表すように誘導できる。

Figure 0004547427
By substituting equation (46) into equation (41), the x coordinate of A 1 ′ can be derived as represented by the following equation (47).
Figure 0004547427

(47)式は、ε(0)2×ε(0)1=0、ε(0)2×μ(0)1=0、及び1/(1-x) = 1+x (|x| << 1)の条件と(46)式を利用して得られる。 (47) is expressed as ε (0) 2 × ε (0) 1 = 0, ε (0) 2 × μ (0) 1 = 0, and 1 / (1-x) = 1 + x (| x | It can be obtained using the condition of << 1) and (46).

(47)式で分かるように、同じ大きさのp値を有し焦点を共有する二つの2次放物線として構成された空洞内においては、光源(A0)から放出された光は、焦点から若干外れていても(ε(0)1 << p)、空洞内で1回循環した後、元の場所(A1 = A0)に戻るという事が分かる。したがって、互いに異なる焦点距離(p及びp’(0<p’<p))を有し焦点と光軸を共有する本発明の光空洞内においては、光源から放出された光が焦点から若干外れて進行しても、本来の経路(焦点を正確に通過して進行する経路)から大きく外れないという仮定を導出できる。 As can be seen from equation (47), in a cavity configured as two secondary parabolas having the same p-value and sharing a focal point, the light emitted from the light source (A 0 ) is emitted from the focal point. Even if it is slightly off (ε (0) 1 << p), it turns out that it returns to the original place (A 1 = A 0 ) after circulating once in the cavity. Therefore, in the optical cavity of the present invention having different focal lengths (p and p ′ (0 <p ′ <p)) and sharing the optical axis with the focal point, the light emitted from the light source is slightly out of focus. It is possible to derive an assumption that even if the vehicle travels, it does not deviate significantly from the original route (a route that travels accurately through the focal point).

上記の仮定を根拠とし、互いに異なる焦点距離を有し焦点と光軸を共有するように互いに向き合うように構成された本発明の光空洞において光源から放出された光が焦点を正確に通過せずに若干ずれて通過する場合における、当該ずれと、どの程度まで光が焦点からずれてもよいかについて以下説明する。   Based on the above assumption, the light emitted from the light source in the optical cavity of the present invention configured to face each other so that they have different focal lengths and share the focal point and the optical axis does not pass through the focal point accurately. Will be described below and to what extent the light may be out of focus.

図6は二つの2次関数放物線状の鏡の焦点距離が互いに異なる場合の光の経路を示す。二つの2次関数放物線状鏡は前述したようにy2 = -4p(x-p) (601)及びy2 = 4p’(x+p’) (602)に対応する(ここで、0<p'<p、T ≡ -(p’/p))。 FIG. 6 shows the light path when the focal lengths of the two quadratic function parabolic mirrors are different from each other. The two quadratic parabolic mirrors correspond to y 2 = −4p (xp) (601) and y 2 = 4p ′ (x + p ′) (602) as described above (where 0 <p ′ <p, T ≡-(p '/ p)).

光検出器(603)は光軸上の点(p,0)に位置し、任意の光源A0(604)から焦点に向かって放出された光は前述したように光空洞内での循環を経て、光検出器に収斂して検出される。前述したように、光源から放出された光が1回循環する過程で規則性を探し、それを全循環に対し一般化することとする。 The photodetector (603) is located at the point (p, 0) on the optical axis, and the light emitted from the arbitrary light source A 0 (604) toward the focal point circulates in the optical cavity as described above. Then, the light is converged on the photodetector and detected. As described above, regularity is searched for in the process in which the light emitted from the light source circulates once, and is generalized for the entire circulation.

任意の光源(604)から焦点に向かって放出された光がA0(604)→B0(605)→C0(607)→D0(609)→A1(611)を経て1回循環するものとし、焦点から若干外れた光がA0(604)→B0'(606)→C0'(608)→D0'(610)→A1'(612)を経て1回循環するものとすると、各々の座標は(18)式と(33)式を参照すると次の(48)及び(49)式で表すことができる。

Figure 0004547427
Light emitted from an arbitrary light source (604) toward the focal point circulates once through A 0 (604) → B 0 (605) → C 0 (607) → D 0 (609) → A 1 (611) The light slightly out of focus circulates once through A 0 (604) → B 0 ′ (606) → C 0 ′ (608) → D 0 ′ (610) → A 1 ′ (612). Assuming that the respective coordinates can be expressed by the following equations (48) and (49) with reference to equations (18) and (33).
Figure 0004547427

光源から放出された光は、焦点から少し外れて、点B0において、x座標方向にε(0)1、y座標方向にδ(0)1、外れうる。その際、前述したようにε(0)1、ε(0)2、δ(0)1、δ(0)2、μ(0)1、μ(0)2、ν(0)1、及びν(0)2の絶対値はpに比べはるかに小さな値であり、それらの積は0に収束する。すなわち、前述したp=p’の条件下では放出された光が空洞内を1回循環した後に元の光源位置へ戻るという事実に基づいて、光源から放出された光は、焦点から少し外れたとしても、元の経路から少しだけ外れて進行すると仮定する。 The light emitted from the light source is slightly out of focus and can deviate by ε (0) 1 in the x coordinate direction and δ (0) 1 in the y coordinate direction at the point B 0 . In this case, as described above, ε (0) 1 , ε (0) 2 , δ (0) 1 , δ (0) 2 , μ (0) 1 , μ (0) 2 , ν (0) 1 , and The absolute value of ν (0) 2 is much smaller than p, and their product converges to zero. That is, the light emitted from the light source is slightly out of focus based on the fact that, under the condition of p = p ′, the emitted light circulates once in the cavity and then returns to the original light source position. However, suppose that it proceeds slightly off the original route.

したがって、前述したp=p'の条件で光経路を求めたのと同様に、p=p'でない場合の光の経路を分析する。光源A0(604)から放出された光が焦点を若干外れて進行し、B0'で反射されC0'に到達する場合、

Figure 0004547427
の勾配を
Figure 0004547427
とし、
Figure 0004547427
の勾配を
Figure 0004547427
とすると、光の反射法則と三角関数の引き算の公式を適用しつつ、(34)式と(35)式が用いられる。
Figure 0004547427
Therefore, the light path when p = p ′ is not analyzed, as in the case where the light path is obtained under the condition of p = p ′ described above. If light emitted from the light source A 0 (604) proceeds out of the focus slightly 'is reflected by the C 0' B 0 to reach,
Figure 0004547427
The slope of
Figure 0004547427
age,
Figure 0004547427
The slope of
Figure 0004547427
Then, equations (34) and (35) are used while applying the light reflection law and the trigonometric subtraction formula.
Figure 0004547427

よって、(49)式から(50)式が得られる。

Figure 0004547427
Therefore, equation (50) is obtained from equation (49).
Figure 0004547427

また、B0'はy2 = -4p(x-p)上の点であるため、この点上の法線の勾配である

Figure 0004547427
は(51)式で表される。
Figure 0004547427
Also, B 0 'is a point on y 2 = -4p (xp), so it is the normal gradient on this point
Figure 0004547427
Is expressed by equation (51).
Figure 0004547427

(35)式に(50)式と(51)式を代入し、tanΔを(52)式で表すことができる。

Figure 0004547427
By substituting the equations (50) and (51) into the equation (35), tanΔ can be expressed by the equation (52).
Figure 0004547427

また、tanΔは

Figure 0004547427
の勾配であるため、勾配の公式から次の(53)式が成立する。
Figure 0004547427
TanΔ is
Figure 0004547427
Therefore, the following equation (53) is established from the gradient formula.
Figure 0004547427

(52)式と(53)式は互いに同じであるため、ε(0)1とμ(0)1の関係を算出することができる。
ここでB0'の座標をy2 = -4p(x-p)に代入すれば、

Figure 0004547427
を得る。また、C0'の座標をy2 = 4p’(x+p’)に代入すれば、
Figure 0004547427
を得る。
Figure 0004547427
Since the equations (52) and (53) are the same, the relationship between ε (0) 1 and μ (0) 1 can be calculated.
If we substitute the coordinates of B 0 'into y 2 = -4p (xp),
Figure 0004547427
Get. And if you substitute the coordinates of C 0 'into y 2 = 4p' (x + p '),
Figure 0004547427
Get.
Figure 0004547427

C0'に到達した光は反射され、この反射光は新たな光源とみなすことができるので、ε(0)2とμ(0)2の関係は(54)式と類似の次の(55)式で表される。

Figure 0004547427
Since the light reaching C 0 ′ is reflected and this reflected light can be regarded as a new light source, the relationship between ε (0) 2 and μ (0) 2 is the following (55 ) Expression.
Figure 0004547427

ε(0)1とε(0)2の関係から、μ(0)2を求められるので、結局A1'(612)の座標を求められる。したがって、

Figure 0004547427
の勾配を
Figure 0004547427
とし、C0'での法線の勾配を
Figure 0004547427
とすると、三角関数の引き算の公式から(45)式が再び用いられる。
Figure 0004547427
Since μ (0) 2 can be obtained from the relationship between ε (0) 1 and ε (0) 2 , the coordinates of A 1 ′ (612) can be obtained after all. Therefore,
Figure 0004547427
The slope of
Figure 0004547427
And the slope of the normal at C 0 '
Figure 0004547427
Then, equation (45) is used again from the trigonometric subtraction formula.
Figure 0004547427

B0'での法線の勾配は

Figure 0004547427
であるため、(49)式と(52)式を代入して(45)式を整理すると、ε(0)1とε(0)2の関係式は次のように求められる。
Figure 0004547427
The slope of the normal at B 0 'is
Figure 0004547427
Therefore, by substituting the equations (49) and (52) and rearranging the equation (45), the relational expression between ε (0) 1 and ε (0) 2 can be obtained as follows.
Figure 0004547427

(49)式に(54)式、(55)式、(56)式を適用すると、(49)式はα’1に関して次の(57)式のように整理できる。

Figure 0004547427
When the formulas (54), (55), and (56) are applied to the formula (49), the formula (49) can be rearranged with respect to α ′ 1 as the following formula (57).
Figure 0004547427

(57)式から、光源(604)から放出された光が焦点から若干外れて進行する場合、1回循環した後、α’1に到達する。これを一般化するため、以降、α’1からプライム符号を外すことにする。なお、プライム符号は、焦点から外れた光を、焦点を通過した光から区別するために用いられるものであり、一般化のためにプライム符号を省略することは本発明を何ら限定するものではない。 (57) from the equation, if the light emitted from the light source (604) proceeds out slightly from the focal point, after circulating once to reach the alpha '1. In order to generalize this, hereinafter, the prime code is removed from α ′ 1 . The prime code is used to distinguish light out of focus from light that has passed through the focus, and omitting the prime code for generalization does not limit the present invention. .

一般化された(57)式は次の(58)式である。

Figure 0004547427
The generalized equation (57) is the following equation (58).
Figure 0004547427

また、C0'から反射された光は、新たな光源とみなすことができるので、ε(1)1とε(0)2は次の(59)式のような関係を持つ。

Figure 0004547427
Further, since the light reflected from C 0 ′ can be regarded as a new light source, ε (1) 1 and ε (0) 2 have a relationship as shown in the following equation (59).
Figure 0004547427

よって、(56)式と(59)式から、(60)式に示すようなε(1)1とε(0)2の関係を導出できる。

Figure 0004547427
Therefore, the relationship between ε (1) 1 and ε (0) 2 as shown in equation (60) can be derived from equations (56) and (59).
Figure 0004547427

ここで、ε(0)1、ε(0)2、μ(0)1、及びμ(0)2の積は0に収束する。(60)式に(56)式を代入し、一般化すると、次の(61)式が得られる。

Figure 0004547427
Here, the product of ε (0) 1 , ε (0) 2 , μ (0) 1 , and μ (0) 2 converges to zero. Substituting (56) into (60) and generalizing it yields the following (61).
Figure 0004547427

(61)式を(58)式に代入して一般化すると、(62)式が導出される。

Figure 0004547427
By substituting equation (61) into equation (58) and generalizing, equation (62) is derived.
Figure 0004547427

n→∞の場合、αnn-1であるため、α-p = σとすると、σは絶対値が非常に小さい負の数である。((62)式は収束関数である。)よって、n→∞の場合、(63)式は次の(64)式で表せる。

Figure 0004547427
In the case of n → ∞, α n = α n−1 , and therefore, when α −p = σ, σ is a negative number having a very small absolute value. (Expression (62) is a convergence function.) Therefore, when n → ∞, expression (63) can be expressed by the following expression (64).
Figure 0004547427

σに関して(64)式を整理すると、(65)式を得る。

Figure 0004547427
When formula (64) is arranged with respect to σ, formula (65) is obtained.
Figure 0004547427

n→∞の場合、βnがγに収束するとすれば、y2 = -4p(x-p)式に基づき、+x軸(p)に対し次のような関係式(66)が導出される。

Figure 0004547427
In the case of n → ∞, if β n converges to γ, the following relational expression (66) is derived for the + x axis (p) based on the y 2 = −4p (xp) expression.
Figure 0004547427

また、γに関して(66)式を整理すると、(67)式が得られる。(ここで、γの値は、便宜上、ε(0)1>0の条件下で、正の数に設定する。)

Figure 0004547427
Further, when formula (66) is arranged with respect to γ, formula (67) is obtained. (Here, for convenience, the value of γ is set to a positive number under the condition of ε (0) 1 > 0.)
Figure 0004547427

γは、光源(604)から放出され焦点から外れて進行する光が最終的に収斂する点のy座標である。図4に示すように、光検出器の直径をL2とすると、このような場合、光が光検出器によって検出されるためにはγ<L2/2の条件を満足しなければならない。よって、(67)式を次式(68)に書き換えなければならない。

Figure 0004547427
γ is the y coordinate of the point where light emitted from the light source (604) and traveling out of focus finally converges. As shown in FIG. 4, when the diameter of the light detector and L 2, In this case, since the light is detected by the light detector must satisfy γ <L 2/2 condition. Therefore, the expression (67) must be rewritten as the following expression (68).
Figure 0004547427

(68)式はまた、光源から放出された光が光検出器によって検出されうるために光が焦点から最大どの程度まで外れてよいかを示す最大許容逸脱度合いε(0)1の条件を表す。よって、(68)式は、ε(0)1に関しては、以下の(69)式に書き換えることができる。

Figure 0004547427
Equation (68) also represents a condition for a maximum allowable deviation ε (0) 1 that indicates how far the light can be out of focus because light emitted from the light source can be detected by the photodetector. . Therefore, equation (68) can be rewritten as the following equation (69) with respect to ε (0) 1 .
Figure 0004547427

光源から放出された光の分散(ε(0)1)が(69)式の条件を満足する場合、光は光検出器によって検出される。(69)式の条件を満足しなければ、分散光は空洞内部で無限循環した後、結局光空洞内で消滅する。また、光源からの光が分散される場合、(69)式に基づいて、気体濃度測定に実際に寄与する光の強度を計算することができる。 When the dispersion (ε (0) 1 ) of the light emitted from the light source satisfies the condition of the equation (69), the light is detected by the photodetector. If the condition of equation (69) is not satisfied, the dispersed light circulates infinitely inside the cavity and then disappears in the optical cavity. Further, when the light from the light source is dispersed, the intensity of the light that actually contributes to the gas concentration measurement can be calculated based on the equation (69).

理論上、点光源から放出された光は等方性を有する。しかし、実際には、光源は、その状態に応じて、最も強い光が特定方向へと放出され、この方向を中心に光の強度が減少するガウスパターンに従って光を放射する。本発明によれば、点光源は凹面鏡またはレンズを具備しており、特定の方向へ最も強い光を放出するだけでなく、凹面鏡ないしレンズを調整することで平行光や、一点に集束する光も提供できる。しかし、外部の衝撃または製造上のミスなどにより、このような気体セルの各構成要素が位置ずれしてしまう場合がある。このような場合、光源から放出された光は、所望の光路から外れて進行する可能性がある。そこで、このような光のずれに対する気体セルの安定性を(69)式に基づいて計算する。例えば、図1に示す気体セルにおいて、(69)式の値をp=15mm、p'=13.5mm、T=-0.9、L2=4mm、α0=p-p’とすると、ε(0)1は次のように表現することができる。

Figure 0004547427
Theoretically, light emitted from a point light source is isotropic. However, in practice, the light source emits light according to a Gaussian pattern in which the strongest light is emitted in a specific direction and the intensity of light decreases around this direction depending on the state. According to the present invention, the point light source includes a concave mirror or lens, which not only emits the strongest light in a specific direction, but also adjusts the concave mirror or lens to generate parallel light or light that converges to a single point. Can be provided. However, the components of such a gas cell may be displaced due to external impacts or manufacturing errors. In such a case, the light emitted from the light source may travel out of the desired optical path. Therefore, the stability of the gas cell against such a light shift is calculated based on the equation (69). For example, in the gas cell shown in FIG. 1, when the values of the equation (69) are p = 15 mm, p ′ = 13.5 mm, T = −0.9, L 2 = 4 mm, α 0 = p-p ′, ε (0 ) 1 can be expressed as:
Figure 0004547427

すなわち、光が光路からx軸方向に2.29mmの範囲内で外れたとしても、当該光を光検出器で検出できる。この結果は、一方向(+x軸)のみを考慮したものなので、-x軸も考慮すると、合計4.58mmの範囲内で光が分散したとしても、光検出器で光を安定して検出することができることになる。   That is, even if the light deviates from the optical path within the range of 2.29 mm in the x-axis direction, the light can be detected by the photodetector. This result only considers one direction (+ x axis), so if the -x axis is also taken into account, even if the light is dispersed within a total range of 4.58 mm, the light is stably detected by the photodetector. Will be able to.

6. 本発明を利用して製造した光空洞の分析の実施例
本発明により製造した光空洞の分析方法を(26)、(29)、(32)式を適用して説明する。
焦点距離が各々p=15mm及びp’=13.5mmとして与えられ、ビーム径(L1)と光検出器の径(L2)が各々L1=4mm及びL2=4mmである光空洞を製造した場合、まず、(29)式を利用して、ビーム径と光検出器のサイズの重複度合いを調べる。ここでは、T = -0.9であるため、

Figure 0004547427
となり、(29)式の条件を満足する。そして、(32)式を利用して、循環の回数を算出すると次のようになる。
Figure 0004547427
6. Example of Analysis of Optical Cavity Manufactured Using the Present Invention An analysis method of an optical cavity manufactured according to the present invention will be described by applying equations (26), (29), and (32).
Producing optical cavities with focal lengths given as p = 15mm and p '= 13.5mm respectively, beam diameter (L 1 ) and photodetector diameter (L 2 ) L 1 = 4mm and L 2 = 4mm respectively In such a case, first, the degree of overlap between the beam diameter and the size of the photodetector is examined using equation (29). Here, T = -0.9, so
Figure 0004547427
Thus, the condition of equation (29) is satisfied. Then, using the equation (32), the number of circulations is calculated as follows.
Figure 0004547427

よって、光源から放出された光は9回循環し、10回目の循環で光検出器によって検出される。このような場合、(26)式を利用して光経路の長さ(L)を求めることができる。

Figure 0004547427
すなわち、光経路の長さは、約114cmと算出される。 Therefore, the light emitted from the light source circulates 9 times and is detected by the photodetector in the 10th circulation. In such a case, the length (L) of the optical path can be obtained using equation (26).
Figure 0004547427
That is, the length of the optical path is calculated to be about 114 cm.

本発明を利用して気体セルを製造した場合についての各種パラメータを表1に提示する。(表では、L1とL2は4mmとした。)

Figure 0004547427
Table 1 presents various parameters when a gas cell is manufactured using the present invention. (In the table, L 1 and L 2 are 4 mm.)
Figure 0004547427

例えば、本発明を利用して50mm×25mmの気体セルを製造しなければならないのであれば、表1の5番目の条件を適用すると、約1590mm(=1.59m)の光経路を持つ気体セルが製造される。   For example, if it is necessary to manufacture a 50 mm × 25 mm gas cell using the present invention, a gas cell having an optical path of about 1590 mm (= 1.59 m) can be obtained by applying the fifth condition in Table 1. Manufactured.

以上で説明したものは本発明の例示的な実施例に過ぎず、本発明は上記実施例に限定されない。添付の特許請求の範囲に記載された本発明の要旨から外れることなく、当業者により多様な変更実施が可能である。   What has been described above is merely an exemplary embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. Various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the invention described in the appended claims.

二つの2次元放物線状の凹面鏡を利用した本発明の一つの実施例による光空洞に関する図である。FIG. 5 is a diagram of an optical cavity according to one embodiment of the present invention using two two-dimensional parabolic concave mirrors. 本発明の一つの実施例による光空洞を形成する2次関数放物線に関する図である。FIG. 5 is a diagram of a quadratic function parabola that forms an optical cavity according to one embodiment of the present invention. 本発明の一つの実施例による光空洞の経路特性に関する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a path characteristic of an optical cavity according to an embodiment of the present invention. 本発明の一つの実施例による光空洞に設置された光源と光検出器の大きさに関連する光経路の条件を算出する方法に関する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a method for calculating a light path condition related to a size of a light source and a light detector installed in an optical cavity according to an embodiment of the present invention. 同じ焦点距離の二つの放物線を有する本発明の一実施例による光空洞の焦点から光が外れて進んだ場合における光路を分析するための手順を示す。Fig. 4 shows a procedure for analyzing the optical path when light travels out of focus of an optical cavity according to an embodiment of the invention having two parabolas of the same focal length. 焦点距離の異なる二つの放物線を含む本発明の一実施例による光空洞の焦点から光が外れて進んだ場合における光路を分析するための手順を示す。FIG. 6 shows a procedure for analyzing an optical path when light travels out of focus of an optical cavity according to an embodiment of the present invention including two parabolas having different focal lengths. FIG.

Claims (12)

二つの凹面鏡を互いに向き合うように配置することで形成される、光学的に閉鎖された光空洞を具備し、光空洞内に入射された光が互いに向き合う上記二つの凹面鏡に交互に反射され、上記二つの凹面鏡は放物線状の凹面鏡であり、上記放物線状の凹面鏡の各放物線は焦点と光軸を共有することを特徴とする気体セル。An optically closed optical cavity formed by arranging two concave mirrors so as to face each other, light incident in the optical cavity is alternately reflected by the two concave mirrors facing each other , and the two concave mirror is parabolic concave mirror, the parabolic gas cell characterized that you confocal and optical axis of the parabolic concave mirror. 上記放物線状の凹面鏡の各放物線は焦点距離が互いに異なり、焦点距離が長い方の凹面鏡上の任意の点に光源を設けることにより、該光源から焦点に向かって放射された光が、上記二つの放物線状凹面鏡によって反射されながら上記光空洞内を循環した後に、上記光軸に収斂しうることを特徴とする、請求項に記載の気体セル。The parabolas of the parabolic concave mirror have different focal lengths, and by providing a light source at an arbitrary point on the concave mirror with the longer focal length, the light emitted from the light source toward the focal point can be The gas cell according to claim 1 , wherein the gas cell can converge on the optical axis after being circulated in the optical cavity while being reflected by a parabolic concave mirror. 上記各放物線の焦点距離の比に応じて、光の経路が変化することを特徴とする、請求項に記載の気体セル。The gas cell according to claim 2 , wherein the path of light changes according to the ratio of the focal lengths of the parabolas. 上記光源から光空洞へ入射された光を検出するための光検出器を具備し、
上記光検出器で検出されるまでの上記光空洞内の光の経路の長さ(L)は次の式
L = 4Np(1-T) = 4N(p+p’)
(N=光の循環回数、p, p'=各放物線の焦点距離、T=-p'/p)
により決定されることを特徴とする、請求項に記載の気体セル。
Comprising a photodetector for detecting light incident on the optical cavity from the light source;
The length (L) of the light path in the optical cavity until it is detected by the photodetector is given by
L = 4Np (1-T) = 4N (p + p ')
(N = number of light cycles, p, p '= focal length of each parabola, T = -p' / p)
The gas cell according to claim 2 , which is determined by:
上記光源の位置をA0 = (α0, β0)とし、上記光空洞を一回循環した光が凹面鏡によって反射される、該凹面鏡上の点の位置をA1 = (α1, β1)とし、上記光空洞をN回循環した光を検出する上記光検出器の位置をAN = (αN, βN)とした場合、上記光のビーム径と上記光検出器の断面半径が次の式
β0 - β1 > L1/2 + (L1/2)sinθ 及び βN > L2/2
(L1=光のビーム径、L2=上記光検出器の断面半径、θ=上記光軸の法線方向に対する上記光源からの光の入射角)
を満足することを特徴とする、請求項に記載の気体セル。
The position of the light source is A 0 = (α 0 , β 0 ), and the position of the point on the concave mirror where the light that has circulated once through the optical cavity is reflected by the concave mirror is A 1 = (α 1 , β 1 ), And the position of the photodetector that detects light circulating N times in the optical cavity is A N = (α N , β N ), the beam diameter of the light and the cross-sectional radius of the photodetector are the following equation β 0 - β 1> L 1 /2 + (L 1/2) sinθ and β N> L 2/2
(L 1 = beam diameter of light, L 2 = section radius of the photodetector, θ = incident angle of light from the light source with respect to the normal direction of the optical axis)
The gas cell according to claim 4 , wherein:
上記光源からの光が最初に反射される点の位置をB’ = (-α01, -β01)とした場合、上記光源からの光の分散度合いを表すε1の値が次の式
Figure 0004547427
を満足することを特徴とする、請求項に記載の気体セル。
When the position of the point at which the light from the light source is reflected first is B ′ = (− α 0 + ε 1 , −β 0 + δ 1 ), ε 1 representing the degree of dispersion of the light from the light source The value is the following expression
Figure 0004547427
The gas cell according to claim 5 , wherein:
二つの凹面鏡を互いに向き合うように配置し、光学的に閉鎖された光空洞を形成するステップと、
上記光空洞に光源を設置するステップと、
上記光源から上記光空洞へ入射された光を検出するための光検出器を上記光空洞に設置するステップと
を含み、
上記光空洞形成ステップにおいて、二つの放物線状の凹面鏡を利用して上記光空洞を形成し、上記放物線状の凹面鏡の各放物線が焦点と光軸を共有するように上記二つの凹面鏡を配置することを特徴とする気体センサーの製造方法。
Arranging two concave mirrors facing each other to form an optically closed optical cavity;
Installing a light source in the optical cavity;
A light detector for detecting light incident on the optical cavity from the light source viewed including the steps of placing the above optical cavity,
In the optical cavity forming step, the optical cavity is formed using two parabolic concave mirrors, and the two concave mirrors are arranged so that each parabola of the parabolic concave mirror shares a focal point and an optical axis. A method for manufacturing a gas sensor.
上記光空洞形成ステップにおいて、上記放物線状の凹面鏡の各放物線の焦点距離が互いに異なるように上記二つの凹面鏡を配置し、
上記光源設置ステップにおいて、焦点距離が長い方の凹面鏡上の任意の点に光源を設置することにより、該光源から焦点に向かって放射された光が、上記二つの放物線状凹面鏡によって反射されながら上記光空洞内を循環した後に、上記光軸に収斂しうる構成とすることを特徴とする、請求項に記載の気体センサーの製造方法。
In the optical cavity forming step, the two concave mirrors are arranged so that the focal lengths of the parabolas of the parabolic concave mirrors are different from each other,
In the light source installation step, by installing a light source at an arbitrary point on the concave mirror having a longer focal length, the light emitted from the light source toward the focal point is reflected by the two parabolic concave mirrors. 8. The method of manufacturing a gas sensor according to claim 7 , wherein the gas sensor is configured to converge on the optical axis after circulating in the optical cavity.
上記光空洞形成ステップにおいて、上記各放物線の焦点距離の比を調整することにより光経路を調整することを特徴とする、請求項に記載の気体センサーの製造方法。9. The method of manufacturing a gas sensor according to claim 8 , wherein in the optical cavity forming step, the optical path is adjusted by adjusting a ratio of focal lengths of the parabolas. 光検出器で検出されるまでの上記光空洞内の光の経路の長さ(L)が次の式
L = 4Np(1-T) = 4N(p+p’)
(N=光の循環回数、p, p'=各放物線の焦点距離、T=-p'/p)
を満足するように、上記各放物線の焦点距離の比を調整するステップを更に含むことを特徴とする、請求項に記載の気体センサーの製造方法。
The length (L) of the light path in the optical cavity until it is detected by the photodetector is given by
L = 4Np (1-T) = 4N (p + p ')
(N = number of light cycles, p, p '= focal length of each parabola, T = -p' / p)
The method of manufacturing a gas sensor according to claim 8 , further comprising a step of adjusting a ratio of focal lengths of the parabolas so as to satisfy the above.
上記光源設置ステップにおいて、上記光源の位置をA0 = (α0, β0)とし、上記光空洞を一回循環した光が凹面鏡によって反射される、該凹面鏡上の点の位置をA1 = (α1, β1)とし、上記光空洞をN回循環した光を検出する上記光検出器の位置をAN = (αN, βN)とした場合、上記光のビーム径が次の式
β0 - β1 > L1/2 + (L1/2)sinθ
(L1=光のビーム径、θ=上記光軸の法線方向に対する上記光源からの光の入射角)
を満足するように、上記光源を上記光空洞に設置し、
上記光検出器設置ステップにおいて、上記光検出器の断面半径が次の式
βN > L2/2
(L2=上記光検出器の断面半径)
を満足するように、上記光検出器を上記光空洞に設置することを特徴とする、請求項10に記載の気体センサーの製造方法。
In the light source installation step, the position of the light source is A 0 = (α 0 , β 0 ), and the position of the point on the concave mirror at which the light circulated once through the optical cavity is reflected by the concave mirror is A 1 = When (α 1 , β 1 ) and the position of the photodetector for detecting light circulating N times in the optical cavity is A N = (α N , β N ), the beam diameter of the light is formula β 0 - β 1> L 1 /2 + (L 1/2) sinθ
(L 1 = beam diameter of light, θ = incident angle of light from the light source with respect to the normal direction of the optical axis)
So that the light source is installed in the optical cavity,
In the photodetector installed step, wherein cross-sectional radius of the optical detector of the following β N> L 2/2
(L 2 = cross-sectional radius of the above photodetector)
The method of manufacturing a gas sensor according to claim 10 , wherein the photodetector is installed in the optical cavity so as to satisfy the above.
上記光源からの光が最初に反射される点の位置をB’ = (-α01, -β01)とした場合、
上記光源設置ステップにおいて、上記光源からの光の分散度合いを表すε1の値が次の式
Figure 0004547427
を満足するように、上記光源を上記光空洞に設置することを特徴とする、請求項11に記載の気体センサーの製造方法。
When the position of the point where the light from the light source is first reflected is B ′ = (−α 0 + ε 1 , −β 0 + δ 1 ),
In the light source installation step, the value of ε 1 representing the degree of dispersion of light from the light source is expressed by the following equation:
Figure 0004547427
The gas sensor manufacturing method according to claim 11 , wherein the light source is installed in the optical cavity so as to satisfy the above.
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